Pengaruh siklus termal terhadap sifat mekanik komposit CANTULA-UNSATURATED POLYESTER

Pengaruh siklus termal terhadap sifat mekanik komposit CANTULA-UNSATURATED POLYESTER.  The aim of this research is to know the effect of thermal cycling on residual strength of natural fiber composites. The thermal cycling was carried out on 35-vol. % agave cantula-fiber-reinforced unsaturated polyester at above (90⁰C) and below (60⁰C) the distortion temperature of resin. As the result, it produces composites residual strength reduction. The residual strength reduction is greater on thermal cycling that was conducted at 90⁰C (decrease 11%), than at 60⁰C (decrease 7%). The reduction in composite strength is due to the decrease of fiber residual strength.

Keyword : thermal cycling, residual strength

LATAR BELAKANG PENELITIAN

Serat alam memiliki sifat kuat, kaku, ringan, banyak jumlahnya, non abrasive, tidak beracun, tidak mahal dan sangat baik digunakan untuk material penguat plastik seperti halnya komposit serat alam (Kurruvila dkk., 1995). Jadi serat alam diharapkan dapat mampu menjadi bahan baku alternatif komposit selain serat buatan, seperti yang dilakukan beberapa industri mobil.

Resin unsaturated polyester merupakan
jenis polimer yang paling mudah diperoleh di pasaran. Selain itu mudah digunakan dan harganya murah. Oleh karena itu resin ini banyak dipakai oleh industri kecil maupun industri besar.

Jika digunakan sebagai komponen suatu alat, komposit serat alam akan mengalami berbagai macam perlakuan dari lingkungan, seperti halnya siklus panas. Siklus termal ini dapat mempengaruhi kekuatan material, sehingga perlu dilakukan pengujian terhadap kekuatan sisa (residual strength) komposit yang telah mengalami siklus termal untuk mengetahui pengaruh tersebut.

 TUJUAN PENELITIAN

Penelitian ini bertujuan mempelajari karakteristik kekuatan sisa (residual strength) komposit unsaturated polyester yang diperkuat serat cantula serat searah (unidirectional) terhadap siklus termal tanpa pembebanan. Penelitian ini difokuskan pada pengamatan hasil tegangan tarik longitudinal komposit dan pengamatan pada permukaan patah tarik, untuk melihat orientasi serat, kerusakan serat dan adhesi serat-matriks sebelum dan sesudah proses siklus termal.

TINJAUAN PUSTAKA

H. Li, dkk (1998) menjelaskan bahwa dengan adanya 2 jenis material pembentuk komposit ini (serat dan matrik), maka akan ada perbedaan sifat yang berdampak terhadap performanya bila ada pengaruh lingkungan, seperti halnya pemanasan dan pendinginan berulang. Perbedaan sifat koefisien termal ini dapat menyebabkan tegangan internal yang menyebabkan terjadinya siklus deformasi plastis, yang diyakini dapat mempengaruhi perilaku mekanis dan umur dari komposit.

Penggabungan matrik dengan serat yang kaku akan menghambat perpanjangan bebas matrik, hal ini akan menimbulkan regangan sisa (residual strain) pada tiap siklus yang disebabkan adanya perbedaan regangan antara matrik dan serta pada komposit. (Wetherhold, Robert C., Westfall, Leonard J., 1988).

Frantisek Chmelik dan Pavel Lukac (2000) menyatakan adanya tegangan sisa akibat adanya perbedaan regangan termal dari matrik dan serat, yang timbul pada interface matrik dan serat ataupun pada bagian ujung serat. Tegangan-tegangan ini bias melebihi tegangan luluh matrik, dan relaksasi yang terjadi akibat penurunan suhu bias mengakibatkan adanya dislokasi dan deformasi plastis pada matrik.

CARA PENELITIAN

Material Yang Digunakan

a. Serat : Serat Cantula (Agave Cantula Roxb.) bentuk serat kontinyu

b. Resin : Unsaturated polyester (type : orthophtalic 157 BQTN-EX)

c. Katalis : MEKPO (dengan perbandingan katalis : resin = 1 : 100)

Jalan Penelitian

1. Serat cantula (bahan baku komposit) dipanaskan selama 45 menit pada suhu 110⁰C

2. Pengujian densitas spesimen (ρ_s) serat dan matrik dilakukan sebelum pembuatan spesimen komposit, agar diperoleh fraksi volum serat (v_f) = 0,35 dengan melakukan penimbangan spesimen di dalam air dan di udara seperti rumus (10) (Herakovich, 1998).

3. Pembuatan spesimen komposit dan resin dengan metode manual. Komposit dan resin yang telah jadi, dicure selama 24 jam. Setelah itu dipostcure bersama serat yang akan disiklus termal pada suhu 60⁰C selama 4 jam.

4. Untuk mengetahui lama pemanasan yang dibutuhkan agar komposit panas merata, maka dilakukan uji waktu permbatan panas komposit. Pengujian dilakukan dengan menanam termokopel jenis T di dalam komposit dan meletakkan komposit di dalam pemanas suhu yang diinginkan. Pembacaan waktu dimulai saat spesimen dimasukkan di dalam pemanas sampai diperoleh suhu yang diinginkan.

5. Dari pengujian sebelumnya, diperoleh waktu pemanasan dan pendinginan spesimen resin maupun komposit dari temperatur yang diinginkan.

Tabel 1. Waktu yang digunakan untuk siklus termal

Jenis siklus	Spesimen	Suhu eksperimen	Waktu kenaikan suhu (menit : detik)	Waktu penahanan suhu (menit : detik)	Waktu penurunan suhu (menit : detik)
Siklus I	Komposit	600C	5 : 46	3	8.46
Siklus II	Komposit	900C	8 : 04	3	13.35

6. Pengujian komposit (ASTM D3039) menggunakan alat uji tarik servopulser dan kemudian pengamatan bidang patahan menggunakan stereo zoom microscope.

Hasil dan Pembahasan

Pengujian tarik komposit pada siklus termal suhu 60⁰C menghasilkan penurunan kekuatan tarik sebesar 7 % dan cenderung konstan pada siklus 30. Sedangkan siklus termal suhu 90⁰C menghasilkan penurunan kekuatan tarik yang lebih besar (11,5%) dan cenderung konstan pada siklus 45. Jadi kekuatan tarik komposit akibat siklus termal menurun seiring peningkatan suhu perlakuan dan penurunan kekuatan komposit ini cenderung konstan sampai jumlah siklus tertentu.

Gambar 3. Foto permukaan patah komposit (perbesaran 35 kali). (1) Permukaan patah komposit tanpa perlakuan, (2) Permukaan patah komposit hasil siklus termal 75 kali pada suhu 60⁰C, (3) Permukaan patah komposit hasil siklus termal 75 kali pada suhu 90⁰C

Pada komposit sebelum dan sesudah siklus termal, terlihat bahwa bidang patahan komposit rata-rata datar dengan panjang serat patah yang pendek. Hal ini menunjukkan bahwa ada ikatan antara serat dan matrik pada daerah interface-nya, dan ikatan ini tetap ada walaupun sudah mengalami siklus termal. Selain itu tampak adanya penurunan panjang serat patah sesudah siklus berlangsung. Penurunan ini sebabkan adanya kerusakan serat selama siklus.

KESIMPULAN

Komposit unsaturated polyester yang diperkuat serat cantula mempunyai ikatan antara serat dan matrik yang baik. Jika komposit ini mengalami siklus termal di atas dan di bawah suhu distorsi resin (70⁰C), maka timbul kecenderungan penurunan kekuatan tarik dan kemudian konstan pada jumlah siklus tertentu. Penurunan kekuatan tarik semakin besar pada suhu siklus yang lebih besar. Pada siklus termal 60⁰C, kekuatan tarik komposit (turun 7%) cenderung konstan pada jumlah siklus 30. Dan pada siklus termal 90⁰C, komposit (turun 11%) cenderung konstan pada jumlah siklus 45.